Центр компетенции по беспроводным системам связи ННГУ им. Н.И. Лобачевского

1. VI Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем» Разработка функциональных блоков интегральной схемы приемника миллиметрового диапазона длин волн по технологии КМОП 90нм С.А. Тихонов, А.В. Мавричев, А.А. Артеменко, А.А. Мальцев Центр компетенции по беспроводным системам связи ННГУ им. Н.И. Лобачевского г. Москва, октябрь 2014 г.

2. Перспективность использования миллиметрового диапазона • Основные преимущества использования миллиметрового диапазона длин волн для систем радиосвязи: • Высокая скорость передачи информации благодаря широкой полосе рабочих частот (IEEE 802.11ad - до 7 Гб/с на частоте несущей около 60 ГГц) • Низкая интерференция из-за большого затухания при распространении и узкого луча диаграммы направленностиантенны • Нелицензируемые полосычастот • Приложения миллиметрового диапазона: • Локальные и персональные системы радиосвязи (WiGig, 60 ГГц) • Радиорелейные линии передачи (60 ГГц, 71-76/81-86 ГГц) • Автомобильные радары для предотвращения столкновений (диапазон 77 ГГц) • Системы радиовидения (от 30 до 90 ГГц) • Актуальной проблемой для еще более широкого освоения миллиметрового диапазона является создание эффективной и дешевой электронной компонентной базы

3. Цель работы Цель данной работы: Разработка и экспериментальное исследование характеристик основных функциональных КМОП блоков СВЧ приемника прямого преобразования, работающего в диапазоне 57-64 ГГц • Разработанные функциональные блоки: • Малошумящий усилитель (МШУ) • Понижающий смеситель • Умножитель частоты • Пассивные элементы • (линия передачи, индуктивность, трансформатор)

4. Топология разработанной микросхемы Топология микросхемы реализована с использованием технологической библиотеки элементов TSMC КМОП 90 нм, а также с применением предварительно разработанных распределенных моделей линии передачи и СВЧ контактных площадок 1 - Смеситель 2 - МШУ 3 - Умножитель частоты 4 - Планарная индуктивность 5 - Симметрирующий трансформатор 6 - Калибровочный набор

5. Измерительная установка • Микросхема, содержащая разработанные блоки, была изготовлена на фабрике TSMC (Тайвань) • Дополнительно была разработана и изготовлена тестовая печатная плата для установки микросхемы в ходе проведения измерений Разработанная микросхема на тестовой печатной плате в измерительной установке Измерительная установка на основе зондовой станции Cascade Microtech

6. Распределенные элементы топологии (1/3): линия передачи Структура линии передачи * Структура слоев диэлектрика и металла определяется технологическим процессом фабрики TSMC

7. Распределенные элементы топологии (2/3): планарная индуктивность

8. Распределенные элементы топологии (3/3): симметрирующий трансформатор Коэффициент прохождения на один из дифференциальных выходов трансформатора

9. Схема разработанного МШУ • Назначение: усиление слабого входного сигнала на входе приемника при минимизации коэффициента шума • Оптимизированная двухкакскадная архитектура (схемы с общим истоком + каскод) Цепи входного и выходного согласования Цепь промежуточного согласования

10. Основные характеристики МШУ(результаты моделирования и измерения) • Выявлена деградация КУ по сравнению с исходным моделированием на 4 дБ • Основная гипотеза - наличие паразитных элементов в изготовленной микросхеме

11. Схема разработанного умножителя частоты Назначение: удвоение частоты опорного гетеродина Цепь выходного согласования в полосе 60 ГГц Цепь входного согласования в полосе 30 ГГц

12. Основные характеристики умножителя частоты(результаты моделирования и измерения) Смещение полосы согласования по выходу на 5 ГГц связано с неточностью моделей линии передачи, используемых для согласования

13. Схема разработанного смесителя • Назначение: преобразование спектра СВЧ сигнала на низкую частоту • Балансная архитектура спредусилением Переключающая пара Буфер ПЧ Согласующий симметрирующий трансформатор Цепь входного согласования

14. Основные характеристики смесителя(результаты моделирования) Коэффициент преобразования в зависимости от мощности сигнала гетеродина FРЧ =59.9ГГц PРЧ = -50дБм FГЕТ = 60ГГц Коэффициент. преобразования, дБ P1dB, дБм: -17.4; -19.7; -21.5 Мощность гетеродина, дБм Коэф. преобразования при разных частотах гетеродина PГЕТ = -9 дБм PРЧ = -50 дБм Коэффициент. преобразования, дБ Ширина полосы одного канала: ΔF ≈ 2.1 ГГц (по уровню -3дБ) Частота входного сигнала, ГГц

15. Сравнение характеристик с аналогами *результаты моделирования

16. Выводы • Спроектированы топологии основных функциональных блоков КМОП приемника диапазона 57-64 ГГц: МШУ, понижающий смеситель, умножитель частоты • Проведен расчет характеристик функциональных блоков с использованием результатов предварительного электромагнитного моделирования отдельных распределенных элементов схемы • Проведено экспериментальное исследование характеристик разработанных блоков • В дальнейшем планируется использовать разработанные функциональные блоки при создании радиочастотного модуля приемника, работающего в диапазоне 57-64 ГГц

17. Спасибо за внимание! Контакты:Сергей Тихоновsergey.tikhonov@wcc.unn.ru info@wcc.unn.ru

18. Список литературы [2] Yao T., Gordon M.Q., Tang K. K. W., Yau K. H. K., Ming-Ta Y., Schvan P., Voinigescu S.P., “Algorithmic Design of CMOS LNAs and PAs for 60-GHz Radio” // IEEE JSSC. - 2007. - V.42. - № 5. - P. 1044 – 1057. [4] Malignaggi A., Hamidian A., Ran Shu, Kamal A.M., Boeck G., “Analytical study and performance comparison of mm-wave CMOS LNAs” // EuMIC. - 2013. - P. 260 – 263. [5] Wang C., Hao Y., Haiying Z., Kang K., Tang Z., “A 60GHz LNA with 4.7dB NF and 18dB gain using interstage impedance matching technique in 90nm CMOS” // IEEE ICMTCE. - 2011. - P. 270 – 273. [7] Byeon C. W., Lee J. J., Song I. S., Park C. S., “A 60 GHz Current-Reuse LO-Boosting Mixer in 90 nm CMOS” // IEEE MWCL.-2012.-V.22.-№ 3.-P. 135 - 137. [8] Kantanen M., Holmberg J., Karttaavi T., Volotinen J., “60 GHz Frequency Conversion 90 nm CMOS Circuits” // EuMIC. - 2008. - P. 60 – 63. [9] Kraemer M., Ercoli M., Dragomirescu D., Plana R., “A wideband single-balanced down-mixer for the 60 GHz band in 65 nm CMOS” // Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings. - 2010. - P. 1849 – 1852. [10] Chen J., Yan P., Hong W., “A 50–70GHz frequency doubler in 90nm CMOS” // IEEE  IMWS. – 2012. - P. 1-3.